[論文レビュー] Simultaneous X-ray and optical spectroscopy of V404 Cygni supports the multi-phase nature of X-ray binary accretion disc winds

T. Muñoz‐Darias, G. Ponti|arXiv (Cornell University)|May 27, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 66被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、ブラックホールV404 Cygniの2015年活動期間中に同時に行われたX線および可視光分光測定を報告し、両波長帯で運動論的に整合するP-Cygプロファイルの存在を明らかにした。研究結果は、活動期間全体にわたり動的で多相的な降着円盤風が存在することを支持しており、風の性質が明るさに伴い体系的に変化していることから、X線連星における風は主に多相的である可能性が示唆される。

ABSTRACT

Observational signatures of accretion disc winds have been found in a significant number of low-mass X-ray binaries at either X-ray or optical wavelengths. The 2015 outburst of the black hole transient V404 Cygni provided a unique opportunity for studying both types of outflows in the same system. We used contemporaneous X-ray (Chandra Observatory) and optical (Gran Telescopio Canarias, GTC) spectroscopy, in addition to hard X-ray light curves (INTEGRAL). We show that the kinetic properties of the wind, as derived from P-Cyg profiles detected in the optical range at low hard X-ray fluxes and in a number of X-ray transitions during luminous flares, are remarkably similar. Furthermore, strictly simultaneous data taken at intermediate hard X-ray fluxes show consistent emission line properties between the optical and the X-ray emission lines, which most likely arise in the same accretion disc wind. We discuss several scenarios to explain the properties of the wind, favouring the presence of a dynamic, multi-phase outflow during the entire outburst of the system. This study, together with the growing number of wind detections with fairly similar characteristic velocities at different wavelengths, suggest that wind-type X-ray binary outflows might be predominantly multi-phase in nature.

研究の動機と目的

• X線連星における降着円盤風の性質を、同時X線および可視光分光的特徴を調査することで解明すること。
• X線および可視光における風の特徴が、同じ物理的流出構造に起因しているかどうかを特定すること。
• 観測された風の性質が、単一の多相的風であるか、別個の高温および低温の流出であるかを評価すること。
• 2015年V404 Cygniの活動期間中に、風の運動論的性質およびイオン化構造が明るさにどのように依存するかを調査すること。

提案手法

• 2015年V404 Cygniの活動期間中に、同時X線（Chandra ACIS-Sグレーティング分光）および可視光（GTC/OSIRIS）分光測定を実施した。
• スペクトルの変動を解明するため、Chandraスペクトルを3.2 ksの時間間隔で分析し、発光ラインおよびP-Cygプロファイルに注目した。
• 可視光ラインプロファイル（He i 5876 ÅおよびHα）をX線遷移と比較し、速度シフトおよびプロファイル形状を用いて、同時起源を推定した。
• 硬X線光度曲線（INTEGRAL）を用いて、風の性質が異なる状態における源の明るさと相関しているかを評価した。
• X線および可視光ライン間のイオン化および運動論的差異を説明するため、多相的かつクラッピィな流出として風をモデル化した。
• 明るさおよびイオン化制約に基づき、放射駆動、熱的、ライン駆動の各風駆動メカニズムを検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 V404 CygniにおけるX線および可視光分光的特徴として観測された降着円盤風の起源は、同じ物理的流出構造に起因するか？
• RQ2 同時観測下で、X線および可視光波長帯における風の運動論的性質（例：径方向ドップラー速度、青端速度）は整合的か？
• RQ3 2015年活動期間中に、明るさの変化に伴い風の性質（速度、イオン化状態、構造）はどのように変化するか？
• RQ4 観測されたイオン化状態および速度の差異を踏まえると、風の物理的性質は単一相的か多相的か？
• RQ5 観測された多波長風の特徴に最も整合する風駆動メカニズム（例：放射駆動、熱的、ライン駆動）は何か？

主な発見

• 低エネルギーの硬X線フラックス下での可視光P-Cygプロファイルは、明るいフレア時に観測されたX線発光ラインと、青端速度が約1500–3000 km s⁻¹という運動論的に整合する性質を示した。
• 中程度のフラックスレベルにおける厳密な同時X線および可視光データでは、同じプロファイル形状の赤方偏移発光ラインが観測され、同じ風構造に起因する共通の起源を示した。
• 風の速度は、活動期間の最初の2日間で約1500 km s⁻¹から、後に約3000 km s⁻¹に増加し、明るさの上昇と相関した。
• 風は、動的で多相的かつクラッピィな流出として最もよく説明され、冷たい密度の高いクラスターが可視光P-Cygプロファイルを生成し、高温でイオン化されたガスがX線遷移に寄与している。
• 複数のシステムにおけるX線、可視光、近赤外帯の特徴的速度の類似性から、X線連星では多相的風が一般的である可能性が示唆された。
• 明るさ依存の挙動およびイオン化制約を踏まえると、風はおそらく放射駆動と熱的風の複数の駆動メカニズムを含むと考えられる。